Thermal decomposition of SiC at high temperature usually brings about excessively fast Si sublimation and a very rough surface. In order to fabricate high-quality homogeneous epitaxial graphene on a SiC(0001) substrate, highly reactive erbium atoms are employed in this work. Scanning tunneling microscopy and Raman spectroscopy have been utilized to investigate the modulations of Er atoms on graphitization evolution and structural defects for graphene after annealing durations. Experimental results show that Er atoms pre-deposited on clean substrates can definitely enhance the surface graphitization of SiC and make graphene grow in a controllable way. The existence of Er layer is believed to break Si–C bonds at low temperature and to decrease the Si sublimate rate. It is also demonstrated that Er atoms can modify the type of structural defects in graphene, and the areal density of flower defects increases to 1.22 × 1012 cm−2, quadrupling that in pristine graphene. This work puts forward a fabrication method for epitaxial graphene with flower defects in high density and will enlighten some future applications of graphene in nanoelectronics, electron energy filtering, and chemical catalysis.

1.
N.
Endoh
,
S.
Akiyama
,
K.
Tashima
,
K.
Suwa
,
T.
Kamogawa
,
R.
Kohama
,
K.
Funakubo
,
S.
Konishi
,
H.
Mogi
, and
M.
Kawahara
,
Nanomaterials
11
,
392
(
2021
).
2.
H.
Huang
,
W.
Chen
,
S.
Chen
, and
A.
Wee
,
ACS Nano
2
,
2513
(
2008
).
3.
N. P.
Guisinger
,
G. M.
Rutter
,
J. N.
Crain
,
P. N.
First
, and
J. A.
Stroscio
,
J. Vac. Sci. Technol. A
26
,
932
(
2008
).
4.
S. W.
Poon
,
C.
Wei
,
E. S.
Tok
, and
A. T. S.
Wee
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
104102
(
2008
).
5.
P.
Lauffer
,
K. V.
Emtsev
,
R.
Graupner
,
T.
Seyller
,
L.
Ley
,
S. A.
Reshanov
, and
H. B.
Weber
,
Phys. Rev. B
77
,
155426
(
2008
).
6.
S.
Forti
and
U.
Starke
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
47
,
094013
(
2014
).
7.
M.
Sprinkle
,
D.
Siegel
,
Y.
Hu
,
J.
Hicks
,
A.
Tejeda
,
A.
Taleb-Ibrahimi
,
P.
Le Fèvre
,
F.
Bertran
,
S.
Vizzini
,
H.
Enriquez
,
S.
Chiang
,
P.
Soukiassian
,
C.
Berger
,
W. A.
de Heer
,
A.
Lanzara
, and
E. H.
Conrad
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
226803
(
2009
).
8.
T.
Seyller
,
A.
Bostwick
,
K. V.
Emtsev
,
K.
Horn
,
L.
Ley
,
J. L.
McChesney
,
T.
Ohta
,
J. D.
Riley
,
E.
Rotenberg
, and
F.
Speck
,
Phys. Status Solidi B
245
,
1436
(
2008
).
9.
T. W.
Hu
,
F.
Ma
,
D. Y.
Ma
,
D.
Yang
,
X. T.
Liu
,
K. W.
Xu
, and
P. K.
Chu
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
171910
(
2013
).
10.
S. N.
Yannopoulos
,
A.
Siokou
,
N. K.
Nasikas
,
V.
Dracopoulos
,
F.
Ravani
, and
G. N.
Papatheodorou
,
Adv. Funct. Mater.
22
,
113
(
2012
).
11.
K. V.
Emtsev
,
A.
Bostwick
,
K.
Horn
,
J.
Jobst
,
G. L.
Kellogg
,
L.
Ley
,
J. L.
McChesney
,
T.
Ohta
,
S. A.
Reshanov
,
J.
Röhrl
,
E.
Rotenberg
,
A. K.
Schmid
,
D.
Waldmann
,
H. B.
Weber
, and
T.
Seyller
,
Nat. Mater.
8
,
203
(
2009
).
12.
J. E.
Baglin
,
F. M.
d’Heurle
, and
C. S.
Petersson
,
Appl. Phys. Lett.
36
,
594
(
1980
).
13.
G.
Chen
,
J.
Wan
,
J.
Yang
,
X.
Ding
,
L.
Ye
, and
X.
Wang
,
Surf. Sci.
513
,
203
(
2002
).
14.
E.
Duverger
,
F.
Palmino
,
E.
Ehret
, and
J. C.
Labrune
,
Surf. Sci.
595
,
40
(
2005
).
15.
P. D.
Bentley
,
T. W.
Bird
,
A. P. J.
Graham
,
O.
Fossberg
,
S. P.
Tear
, and
A.
Pratt
,
AIP Adv.
11
,
025314
(
2021
).
16.
T.
Maruyama
,
S.
Sakakibara
,
S.
Naritsuka
, and
K.
Amemiya
,
Diamond Relat. Mater.
20
,
1325
(
2011
).
17.
T.
Chagas
,
M.
Pelc
,
P. H. R.
Gonçalves
,
I.
Antoniazzi
, and
A.
Malachias
,
Carbon
142
,
580
(
2019
). doi:
18.
X.
Shi
,
G.
Pan
,
Y.
Zhou
,
C.
Zou
, and
H.
Gong
,
Appl. Surf. Sci.
284
,
195
(
2013
).
19.
Y.
Zhu
,
W.
Zhou
,
S.
Wang
,
T.
Ji
,
X.
Hou
, and
Q.
Cai
,
J. Appl. Phys.
100
,
114312
(
2006
).
20.
M.
Zinke-Allmang
,
Thin Solid Films
346
,
1
(
1999
).
21.
N.
Frangis
,
J.
Van Landuyt
,
G.
Kaltsas
,
A.
Travlos
, and
A. G.
Nassiopoulos
,
J. Cryst. Growth
172
,
175
(
1997
).
22.
Q.
Cai
,
J.
Yang
,
F.
Yu
,
Y.
Wang
, and
X.
Wang
,
Appl. Surf. Sci.
190
,
157
(
2002
).
23.
W. J.
Ong
and
E. S.
Tok
,
Phys. Rev. B
73
,
045330
(
2006
).
24.
S. W.
Poon
,
W.
Chen
,
A. T. S.
Wee
, and
E. S.
Tok
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
12
,
13522
(
2010
).
25.
I.
Brihuega
,
E.
Dupont-Ferrier
,
P.
Mallet
,
L.
Magaud
,
S.
Pons
,
J. M.
Gómez- Rodríguez
, and
J.-Y.
Veuillen
,
Phys. Rev. B
72
,
205309
(
2005
).
26.
W.
Zhou
,
Y.
Zhu
,
T.
Ji
,
X.
Hou
, and
Q.
Cai
,
Nanotechnology
17
,
852
(
2006
).
27.
T.
Maruyama
,
H.
Bang
,
Y.
Kawamura
,
N.
Fujita
,
K.
Tanioku
,
T.
Shiraiwa
,
Y.
Hozumi
,
S.
Naritsuka
, and
M.
Kusunoki
,
Chem. Phys. Lett.
423
,
317
(
2006
).
28.
W. A.
de Heer
,
C.
Berger
,
M.
Ruan
,
M.
Sprinkle
,
X.
Li
,
Y.
Hu
,
B.
Zhang
,
J.
Hankinson
, and
E.
Conrad
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
108
,
16900
(
2011
).
29.
T. W.
Hu
,
X. T.
Liu
,
F.
Ma
,
D. Y.
Ma
,
K. W.
Xu
, and
P. K.
Chu
,
Nanotechnology
26
,
105708
(
2015
).
30.
G. M.
Rutter
,
J. N.
Crain
,
N. P.
Guisinger
,
P. N.
First
, and
J. A.
Stroscio
,
J. Vac. Sci. Technol. A
26
,
938
(
2008
).
31.
L.
Zhao
,
M.
Levendorf
,
S.
Goncher
,
T.
Schiros
,
L.
Pálová
,
A.
Zabet-Khosousi
,
K. T.
Rim
,
C.
Gutiérrez
,
D.
Nordlund
,
C.
Jaye
,
M.
Hybertsen
,
D.
Reichman
,
G. W.
Flynn
,
J.
Park
, and
A. N.
Pasupathy
,
Nano Lett.
13
,
4659
(
2013
).
32.
H.
Wang
,
T.
Maiyalagan
, and
X.
Wang
,
ACS Catal.
2
,
781
(
2012
).
33.
E.
Cockayne
,
G. M.
Rutter
,
N. P.
Guisinger
,
J. N.
Crain
,
P. N.
First
, and
J. A.
Stroscio
,
Phys. Rev. B
83
,
195425
(
2011
).
34.
Y.
Chen
,
M. C.
Li
,
Q. M.
Wang
,
G. S.
Wang
,
X.
Wei
,
G. F.
Song
,
X. M.
Kong
,
Y.
Xu
, and
Y.
Liu
,
Mater. Res. Express
7
,
055602
(
2020
).
35.
M.
Naitoh
,
M.
Kitada
,
S.
Nishigaki
,
N.
Toyama
, and
F.
Shoji
,
Surf. Rev. Lett.
10
,
473
(
2008
).
36.
A. C.
Ferrari
and
D. M.
Basko
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
235
(
2013
).
37.
P. Y.
Huang
,
C. S.
Ruiz-Vargas
,
A. M.
van der Zande
,
W. S.
Whitney
,
M. P.
Levendorf
,
J. W.
Kevek
,
S.
Garg
,
J. S.
Alden
,
C. J.
Hustedt
,
Y.
Zhu
,
J.
Park
,
P. L.
McEuen
, and
D. A.
Muller
,
Nature
469
,
389
(
2011
).
38.
Q.
Berrahal
,
C.
Chacon
,
H.
Amara
,
A.
Bellec
,
S.
Latil
,
V.
Repain
,
S.
Rousset
,
J.
Lagoute
, and
Y.
Girard
,
Carbon
170
,
174
(
2020
).
39.
Y.
Cui
,
H.
Zhang
,
W.
Chen
,
Z.
Yang
, and
Q.
Cai
,
J. Phys. Chem. C
121
,
15282
(
2017
).
40.
A.
Cresti
,
J.
Carrete
,
H.
Okuno
,
T.
Wang
,
G. K. H.
Madsen
,
N.
Mingo
, and
P.
Pochet
,
Carbon
161
,
259
(
2020
).
41.
L.
Linhart
,
J.
Burgdorfer
, and
F.
Libisch
,
Phys. Rev. B
97
,
035430
(
2018
).
42.
D.
Kang
,
C.
Zhang
, and
H.
Li
,
J. Supercond. Novel Magn.
32
,
3927
(
2019
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.